16.06.2022 - Stanford University

Fingerspitzengroße Roboter könnten in der Medizin die Lebensretter der Zukunft werden

Winzige Roboter ermöglichen die gezielte Verabreichung von Medikamenten

Wenn Sie schon einmal eine runde Tablette geschluckt haben, in der Hoffnung, damit Magenkrämpfe oder Kopfschmerzen zu kurieren, wissen Sie bereits, dass Medikamente nicht immer so konzipiert sind, dass sie genau den Schmerzpunkt behandeln. Während rezeptfreie Pillen seit Jahrzehnten viele Beschwerden heilen, haben biomedizinische Forscher erst vor kurzem damit begonnen, Möglichkeiten zur Verbesserung der gezielten Verabreichung von Medikamenten bei der Behandlung komplizierterer Erkrankungen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Krebs zu erforschen.

Eine vielversprechende Innovation in diesem aufstrebenden Bereich der Biomedizin ist der Millirobot. Diese fingerspitzengroßen Roboter sind auf dem besten Weg, die zukünftigen Lebensretter der Medizin zu werden - sie können krabbeln, sich drehen und schwimmen, um in enge Räume vorzudringen und dort das Innenleben zu untersuchen oder Medikamente zu verabreichen.

Die Maschinenbauingenieurin Renee Zhao von der Stanford University, die auf diesem Gebiet führend ist, arbeitet an mehreren Millirobotern gleichzeitig - unter anderem an einem magnetischen Krabbelroboter, der kürzlich auf der Titelseite von Science Advances zu sehen war, wie er sich durch einen Magen schlängelte. Angetrieben von magnetischen Feldern - die eine kontinuierliche Bewegung ermöglichen und sofort angewendet werden können, um ein Drehmoment zu erzeugen und die Art und Weise, wie sich die Roboter bewegen, zu ändern - können ihre Roboter selbständig verschiedene Bewegungszustände wählen und Hindernisse im Körper überwinden. Allein durch die Veränderung der Stärke und Ausrichtung des Magnetfelds kann Zhaos Team den Roboter in einem einzigen Sprung über Entfernungen segeln lassen, die das Zehnfache der Roboterlänge betragen.

Ein wichtiger Aspekt ihrer Forschung ist, dass die magnetische Betätigung auch eine ungebundene Steuerung für einen nicht-invasiven Betrieb ermöglicht und die Steuereinheit vom Gerät trennt, um eine Miniaturisierung zu ermöglichen. Zhao sagte, dass ihr neuester Roboter, der diesen Monat in Nature Communications vorgestellt wurde, "der robusteste und multifunktionalste ungefesselte Roboter ist, den wir je entwickelt haben".

Dieser neue "drehbare, drahtlose, amphibische Origami-Milliroboter" ist so multifunktional, wie sein Name schon sagt. Es handelt sich um eine elegant konzipierte Einheit, die in der Lage ist, sich schnell über die glatten, unebenen Oberflächen eines Organs zu bewegen und durch Körperflüssigkeiten zu schwimmen, wobei sie sich kabellos fortbewegt und flüssige Medikamente transportiert. Im Gegensatz zu geschluckten Pillen oder injizierten Flüssigkeiten hält dieser Roboter das Medikament zurück, bis es das Ziel erreicht, und setzt dann ein hochkonzentriertes Medikament frei", so Zhao, der Assistenzprofessor für Maschinenbau ist. "Auf diese Weise erreicht unser Roboter eine gezielte Medikamentenabgabe".

Neue Formen der Medikamentenverabreichung

Das Bahnbrechende an diesem speziellen Amphibienroboter ist laut Zhao, dass er über die Entwürfe der meisten Origami-basierten Roboter hinausgeht, die nur die Faltbarkeit von Origami nutzen, um zu steuern, wie sich ein Roboter formt und bewegt.

Das Team von Zhao untersuchte nicht nur, wie das Falten den Roboter in die Lage versetzen könnte, bestimmte Aktionen auszuführen - man stelle sich eine Ziehharmonikafalte vor, die Medikamente herausdrückt -, sondern auch, wie die Abmessungen der genauen Form jeder Falte die starre Bewegung des Roboters beeinflussen, wenn er nicht gefaltet ist. Das Ergebnis ist, dass sich die ungefaltete Form des Roboters von Natur aus für die Fortbewegung in der Umgebung eignet. Diese weitsichtigen Überlegungen ermöglichten es den Forschern, mehr Nutzen aus den Materialien zu ziehen, ohne sie zu vergrössern - und in Zhaos Welt gilt: Je mehr Funktionalität aus einer einzigen Struktur im Design des Roboters erzielt wird, desto weniger invasiv ist der medizinische Eingriff.

Ein weiterer einzigartiger Aspekt der Konstruktion des Roboters ist die Kombination bestimmter geometrischer Merkmale. Ein Längsloch in der Mitte des Roboters und seitliche Schlitze, die schräg nach oben verlaufen, verringern den Wasserwiderstand und helfen dem Roboter, besser zu schwimmen. "Dieses Design erzeugt einen Unterdruck im Roboter, der ein schnelles Schwimmen ermöglicht und gleichzeitig einen Sog für die Aufnahme und den Transport von Gütern bietet", so Zhao. "Wir nutzen die geometrischen Eigenschaften dieses kleinen Roboters voll aus und erforschen diese eine Struktur für verschiedene Anwendungen und Funktionen."

Auf der Grundlage von Gesprächen mit Experten des Stanford Department of Medicine überlegt das Zhao-Labor, wie aktuelle Behandlungen und Verfahren durch die Entwicklung neuer Technologien verbessert werden können. Wenn es nach Zhao geht, werden ihre Roboter nicht nur eine praktische Möglichkeit zur effektiven Medikamentenabgabe bieten, sondern könnten auch Instrumente oder Kameras in den Körper tragen und so die Art und Weise verändern, wie Ärzte Patienten untersuchen. Das Team arbeitet auch an der Verwendung von Ultraschallbildern, um zu verfolgen, wohin die Roboter gehen, so dass keine Organe mehr aufgeschnitten werden müssen.

Je kleiner und einfacher, desto besser

Zwar werden wir Milliroboter wie den von Zhao erst dann in der realen Gesundheitsversorgung sehen, wenn mehr über das optimale Design und die besten Bildgebungsverfahren bekannt ist, doch der in Nature Communications vorgestellte erste Schwimmer des Labors gehört zu den Robotern, die am weitesten fortgeschritten sind. Er befindet sich derzeit in der Erprobungsphase, die vor der Durchführung von Tests an lebenden Tieren und der anschließenden klinischen Erprobung am Menschen liegt.

In der Zwischenzeit kombiniert Zhaos Team eine Vielzahl neuartiger intelligenter Materialien und Strukturen zu einzigartigen Designs, aus denen schließlich neue biomedizinische Geräte entstehen. Sie plant auch, ihre Roboter weiter zu verkleinern, um die biomedizinische Forschung auf der Mikroskala voranzutreiben.

Als Ingenieurin strebt Zhao danach, die einfachsten Strukturen mit der größten Funktionalität zu entwickeln. Ihr Amphibienroboter ist ein Beispiel für diese Mission, da er ihr Team dazu inspiriert hat, geometrische Merkmale zu berücksichtigen, die von anderen Origami-Roboterforschern noch nicht so häufig berücksichtigt werden. "Wir begannen zu untersuchen, wie all diese Merkmale parallel funktionieren", sagte Zhao. "Das ist ein sehr einzigartiger Punkt dieser Arbeit, und sie hat auch ein breites Anwendungspotenzial im biomedizinischen Bereich."

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